Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
9
Лекция 3. Архитектура и протоколы ЛВС.
3.1. Традиционные локальные сети Ethernet и Token Ring.
Ethernet и Token Ring - самые распространенные и наиболее апробированные стандарты, используемые для создания локальных связей в сетях. Хотя их пропускная способность - 10 и 16 Мб/с соответственно - во многих случаях уже недостаточна для некоторых современных приложений даже на клиентских компьютерах, тем не менее огромная инсталляционная базах этих стандартов оставит их еще на некоторое время в поле зрения сетевых интеграторов.
Стандарты Ethernet разработаны комитетом 802.3, а стандарты Token Ring - комитетом 802.5 института IEEE.
Поскольку информация о стандартах Ethernet и Token Ring является широкодоступной, далее приводится обзор основных правил и ограничений, действующих при создании базовых сегментов Ethernet и Token Ring. Под базовыми в данном случае понимаются сегменты, которые строятся только с помощью сетевых адаптеров, кабелей и концентраторов-повторителей.
Основные характеристики протокола Ethernet
• Битовая скорость: 10 Мб/с.
• Максимальный размер поля данных кадра: 1500 байтов.
• Минимальный размер поля данных кадра: 46 байтов.
• Полезная производительность для кадров максимальной длины: 9.74 Мб/с (1.22 Мбайт/с, 812 кадров/с).
• Полезная производительность для кадров минимальной длины: 5.48 Мб/с (684 Кбайт/с, 14880 кадров/с).
• Тип протокола – дейтаграммный.
• Методы и кадры самотестирования – отсутствуют.
• Задержки доступа к среде резко возрастают при коэффициенте загрузки канала 30% и выше.
Правила построения сегментов Ethernet
Ethernet 10Base-5
Базовая топология сети, состоящей из двух сегментов, соединенных повторителем, показана на рисунке 3.1.
• Сегменты Ethernet спецификации 10Base-5 строятся на основе коаксиального кабеля RG-6, называемого часто "толстым" коаксиалом.
• Общее количество станций в сети: 1024.
• Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту: 100.
• Максимальная длина одного сегмента: 500 м.
• Максимальная долина сети (максимальное расстояние между двумя станциями): 2500 м.
• Максимальное количество повторителей между двумя любыми станциями: 4.
• Максимальная длина кабеля между трансивером (приемопередатчиком) и сетевым адаптером: 50 м.
Ethernet 10Base-2
Базовая топология сети аналогична сети 10Base-5 за исключением того, что трансиверы совмещены с сетевыми адаптерами.
• Сегменты Ethernet спецификации 10Base-2 строятся на основе коаксиального кабеля RG-58 C/U, называемого часто "тонким" коаксиалом.
• Общее количество станций в сети: 1024.
• Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту: 30.
• Максимальная длина одного сегмента: 185 м.
• Максимальная длина сети: 2500 м.
• Максимальное количество повторителей между двумя любыми станциями: 4.
Рис. 3.1. Компоненты физического уровня сети стандарта 10 Base-5,
состоящей из двух сегментов.
Базовая топология сети включает как обязательный элемент многопортовый концентратор-повторитель (рисунок 3.2).
• Сегменты Ethernet спецификации 10Base-T строятся на основе двухпарного кабеля на основе неэкранированной витой пары с волновым сопротивлением 100 Ом категорий 3,4 или 5.
• Общее количество станций в сети: 1024.
• Максимальное количество станций, подключенных к одному концентратору: 1024.
• Максимальная длина кабеля от станции до концентратора: 100 м.
• Максимальная длина кабеля между концентраторами: 100 м.
• Максимальная длина сети: 2500 м.
• Максимальное количество повторителей между двумя любыми станциями: 4.
Ethernet FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB
Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet.
Стандарт 10Base-FL (Fiber Link) предназначен для соединения конечных узлов с концентратором.
Стандарт 10Base-FB (Fiber Backbone) предназначен для магистрального соединения концентраторов.
Базовая топология этих сетей аналогична топологии сети 10Base-T.
• Сегменты Ethernet стандартов FOIRL, 10Base-FL и 10Base-FB строятся на основе двухжильного оптоволоконного кабеля.
• Общее количество станций в сети: 1024.
• Максимальное количество станций, подключенных к одному концентратору: 1024.
• Максимальная длина одного сегмента: FOIRL: до 1000м, 10Base-FL: до 2000м, 10Base-FB: до 2000м (до 4000м у некоторых производителей).
• Максимальная длина сети: FOIRL, 10Base-FL: 2500 м, 10Base-FB: 2740м.
• Максимальное количество повторителей между двумя любыми
станциями: FOIRL, 10Base-FL: 4, 10Base-FB: 5.
• Стандарт 10Base-FB поддерживает автоматический переход на резервные связи за счет постоянного тестирования кабелей специальными сигналами.
Основные характеристики протокола Token Ring.
• Битовая скорость: 4/16 Мб/с.
• Максимальный размер поля данных кадра: 16 Кбайт.
• Минимальный размер поля данных кадра: 0 байтов.
• Полезная производительность для кадров максимальной дайны: около 15 Мб/с.
• Тип протокола - дейтаграммный с подтверждением доставки.
• Методы и кадры самотестирования – имеются.
• Возможна приоритетная обработка трафика.
• Задержки доступа к среде резко возрастают при коэффициенте загрузки канала: 60% и выше - для скорости 4 Мб/с, 80% и выше - для скорости 16 Мб/с.
Рис. 3.2. Сеть 10Base-T- один домен коллизий. Т - передатчик, R - приемник
Правила построения сегментов Token Ring 4/16.
Стандарт Token Ring фирмы IBM предусматривает построение связей в сети как с помощью непосредственного соединения станций друг с другом, так и путем образования кольца с помощью концентраторов (называемых MAU - Media Attachment Unit или MSAU - Multi-Station Access Unit).
На рисунке 3.3 показаны основные аппаратные элементы сети Token Ring и способы их соединения.
В приведенной конфигурации показаны станции двух типов.
Станции С1, С2 и СЗ - это станции, подключаемые к кольцу через концентратор. Обычно такими станциями являются компьютеры с установленными в них сетевыми адаптерами. Станции этого типа соединяются с концентратором ответвительным кабелем (lobe cable), который обычно является экранированной витой парой (Shielded Twisted Pair, STP), соответствующей стандартному типу кабеля из кабельной системы IBM (Type 1,2,6,8.9), или двужильным многомодовым оптоволоконным кабелем.
Концентраторы Token Ring делятся на активные и пассивные. Пассивные концентраторы обеспечивают только соединения портов внутри концентратора в кольцо, а активные выполняют и функции повторителя, обеспечивая ресинхронизацию сигналов и исправление их амплитуды и формы. Естественно, что активные концентраторы поддерживают большие расстояния до станции, чем пассивные.
С 1, С2, СЗ - станции, подключенные к концентратору
А, В, D, Е, F, С, Н - станции, непосредственно подключенные к кольцу
Рис. 3.3. Конфигурация кольца Token Ring.
TCU (trunk coupling unit) - устройство подключения к магистрали.
Остальные станции сети соединены в кольцо непосредственными связями. Такие связи называются магистральными (trunk cable). Обычно связи такого рода используются для соединения концентраторов друг с другом для образования общего кольца. Порты концентраторов, предназначенные для такого соединения, называются портами Ring-In и Ring-Out.
Для предотвращения влияния отказавшей или отключенной станции на работу кольца, станции подключаются к магистрали кольца через специальные устройства, называемые устройствами подключения к магистрали (Trunk Coupling Unit, TCU).
В функции такого устройства входит образование обходного пути, исключающего заход магистрали в МАС-узел станции при ее отключении или отказе. Обычно для этих целей в TCU используются реле, которые подпитываются постоянным током во время нормальной работы. При пропадании тока подпитки контакты реле переключаются и образуют обходной путь, исключая станцию.
При подключении станции в кольцо через концентратор, устройства TCU встраивают в порты концентратора.
Существуют сетевые адаптеры и концентраторы Token Ring, которые кроме экранированной витой пары и оптоволокна поддерживают неэкранированную витую пару.
Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring, Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.
Сети Token Ring. работающие со скоростью 16 Мб/с, имеют и некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с.
Правила построения сегментов Token Ring:
• Максимальный диаметр сети: 1000 м для STP,
• Максимальное расстояние между узлами: 100 м (UTP, STP), 2000 м для
оптоволокна,
• Максимальное количество станций в кольце: 260 (STP), 144 (UTP).
3.2. Локальные сети на быстрых протоколах: FDDI, Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.
В современной сети невозможно обойтись без быстрых протоколов. Даже на уровне клиентских персональных компьютеров существует большое количество приложений, которые не устраивает пропускная способность в 1.2 Мбайт/с, которую может предоставить обычный Ethernet, и даже пропускная способность в 1.8 Мбайт/с, которую может предоставить технология Token Ring. Примерами служат мультимедийные приложения, которые работают со статическими мегабайтными файлами изображений и звука, или же приложения организации видеоконференций, которые обрабатывают мультимедийную информацию в реальном времени. Кроме того, в начале 90-х годов пропускная способность подсистемы ввода-вывода превысила возможности сетевых адаптеров Ethernet и Token Ring, создавая предпосылки для использования более скоростных протоколов на уровне персональных компьютеров.
Еще более остро ощущается потребность в скоростных протоколах на магистральных каналах корпоративных сетей, где суммируется трафик отдельных рабочих групп и отделов,
Желательно, чтобы помимо скорости такие протоколы обладали еще и несколькими дополнительными свойствами:
• обеспечивали приоритетную обработку синхронного мультимедийного трафика.
• предоставляли некоторые гарантии по величине пропускной способности, предоставляемой конкретному соединению,
• работали в различных средах передачи данных, поддерживая более дешевые соединения на коротких расстояниях и обеспечивая связи в пределах кампуса или города на оптоволокне,
• обеспечивали самотестирование кабельных связей и поддерживали автоматический переход на резервные связи в случае отказа основных,
• поддерживали иерархию скоростей, что позволяет использовать один и тот же протокол на разных уровнях иерархии транспортной системы корпоративной сети.
Сегодня имеется несколько скоростных протоколов, которые можно использовать в локальных сетях: FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN и АТМ.
Технология АТМ в наибольшей степени удовлетворяет перечисленным выше требованиям, но она одновременно является и наиболее далекой от окончательного оформления в виде серии стандартов. Ввиду того, что у АТМ очень много общего с технологиями глобальных сетей, эта технология будет рассмотрена после раздела, посвященного глобальным сетям.
Стандарт FDDI.
Высокоскоростной протокол FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - оптоволоконный интерфейс распределенных данных - появился значительно раньше, чем Fast Ethernet и 100Vg-AnyLAN. Сейчас это наиболее отработанный высокоскоростной стандарт, который применяется на магистралях сетей кампусов и даже сетей масштаба города.
Проблемная группа ХЗТ9.5 института ANSI разработала стандарт FDDI, который обеспечивает передачу кадров по двойному волоконно-оптического кольцу со скоростью 100 Мб/с. Протокол специально разрабатывался, чтобы быть как можно больше похожим на стандарты Token Ring и IEEE 802,5, и отличаться от них только теми особенностями, которые необходимы для поддержки большей скорости и больших расстояний.
Основные характеристики протокола FDDI:
• Битовая скорость: 100 Мб/с,
• Максимальный размер пакета: около 4 Кбайт,
• Высокая отказоустойчивость,
• Собственный протокол управления кольцом – SMT.
Базовая топология кольца FDDI показана на рисунке 3.4.
Рис. 3.4. Кольца стандарта FDDI.
Правила построения кольца FDDI.
• Максимальные расстояния между станциями:
до 2 км - многомодовый оптоволоконный кабель,
20-60 км (конкретное предельное значение зависит от используемого оборудования) - одномодовый оптоволоконный кабель,
до 100 м - неэкранированная витая пара категории 5 (подстандарт TP-PMD).
• Максимальная общая длина кольца FDDI составляет 100 километров.
• Максимальное число станций класса А в кольце – 500.
• Передача информации происходит по первичному кольцу, вторичное кольцо используется как резервное.
Поддержка мультимедийного трафика.
Протокол FDDI использует алгоритм для управления доступом к сети, основанный на таймерных интервалах. В стандарте FDDI различаются асинхронные (обычные) пакеты и синхронные - пакеты multimedia, например, пакеты с кодами изображений, которые должны передаваться через строго фиксированные интервалы времени. Каждая станция кольца FDDI учитывает три различных таймерных интервала:
• TRT - интервал между двумя последовательными приходами маркера;
• Т - фиксированный интервал, о котором станции договорились при инсталляции:
• ТНТ - время удержания маркера - время, в течение которого станция может удерживать маркер и передавать свои пакеты.
Интервал ТНТ вычисляется по формуле: ТНТ = Т - TRT, из которой видно, что чем дольше маркер совершает оборот, тем меньше станции остается времени на передачу своих пакетов. Если ТНТ становится отрицательным, то станция не передает свои пакеты, а передает только маркер. Условие передачи пакета относится только к асинхронным пакетам. Синхронный пакет передается всегда.
Структура кадра данных сети FDDI соответствует структуре кадра данных сети Token Ring, а структура маркера FDDI значительно отличается.
Отказоустойчивость FDDI.
Для обеспечения отказоустойчивости в стандарте FDDI предусмотрено создание двух оптоволоконных колец. При разрыве связей между двумя станциями в первичном кольце происходит использование связей вторичного кольца, причем передача информации во вторичном кольце происходит в обратном направлении (рисунок 16.4). При отказе или отключении какой-либо станции ее сетевой адаптер должен обеспечить обходной путь. В стандарте FDDI допускается использование двух видов подсоединения станций к кольцу. Станции класса А подключаются к первичному и вторичному кольцам и называются DAS или DAC- Dual Attachment Station или Dual Attachment Concentrator в зависимости от того, представляет ли станция конечный узел (компьютер) или концентратор. Станции класса В подключаются только к первичному, основному кольцу и называются SAS - Single Attached Station. Обычно рабочая станция является узлом с одиночными связями, а концентратор - узлом с дуальными связями.
В случае однократного обрыва кабеля можно предусмотреть автоматическую реконфигурацию кольца за счет переключения связей в концентраторе (рисунок 3.5).
Если вышла из строя или была выключена станция класса А, то кольцо FDDI может сохранить работоспособность путем использования обходных оптических переключателей.
И, наконец, станции класса В можно подключать сразу к двум концентраторам, в результате чего образуется основная и резервная связи. Такой способ подключения называется Dual Homing.
Управление в сетях FDDI.
Стандарт FDDI определяет собственный протокол наблюдения и управления сетью - протокол SMT. Он отличается от протокола SNMP, обычно используемого для
управления сетями, поэтому для управления FDDI-устройствами с помощью стандартных систем и платформ, основанных на протоколе SNMP, необходимы агенты-посредники (proxy agents), транслирующие протокол SMT в протокол SNMP.
Рис.3.5. Отказоустойчивость колец FDDI.
Стандарт Fast Ethernet.
В то время, как переход на FDDI требует не только замены всего сетевого оборудования. но и полного переучивания пользователей, усовершенствованные технологии Ethernet и Token Ring предлагают более безболезненный путь перехода к быстрым сетям. Наибольшее число сторонников завоевал сравнительно новый высокоскоростной стандарт Fast Ethernet Alliance, который был предложен в августе 1993 года группой из 10 производителей, включая 3Com, Grand Junction Networks, Intel, Racal Datacorn и Syn-Optics. Стандарт принят комитетом IEEE 802.3 летом 1995 года. В настоящее время оборудование Fast Ethernet выпускают около 120 производителей.
Стандарт Fast Ethernet оставляет неизменным МАС-уровень Ethernet, сохраняя метод доступа, размер и формат пакета, что позволяет использовать прежнее программное обеспечение и средства управления сетями Ethernet.
Однако для поддержки передачи данных со скоростью 100 Мб/с требуется модификация физического уровня. Существуют два конкурирующих и несовместимых варианта реализации физического уровня:
• Метод 100Base-T/X основан на использования разных сред передачи: двух неэкранированных витых пар высокого качества (категории 5), двух
экранированных витых пар или многомодового оптоволоконного кабеля. Из-за высокой тактовой частоты в этом варианте нельзя использовать неэкранированную витую пару категории 3 или 4, стандартную для сетей 10Base-T.
• Предложенный позднее метод 100Base-T4 допускает применение четырех более дешевых неэкранированных витых пар (категории 3, 4, или 5). Производители, входящие в Fast Ethernet Alliance, разрабатывают продукты, поддерживающие обе спецификации. Из четырех неэкранированных пар, необходимых для метода 100Base-T, три пары используются для передачи данных, а четвертая - для разрешения конфликтов. Вместо манчестерского кодирования, применяемого в традиционной технологии Ethernet, в 100Base-T используется схема кодирования 8В6Т, которая преобразует группы из 8 битов в один из шести троичных (то есть принимающих не два, а три различных состояния) сигналов, распределяемых по четырем парам проводов.
Для поддержки различных стандартов физического уровня в стандарте Fast Ethernet выделены специальные подуровни, показанные на рисунке 3.6. На этом же рисунке приводится для сравнения структура физического уровня стандарта 10Base-T - предшественника стандарта Fast Ethernet. Для обеспечения независимости МАС-уровня от способа кодирования сигнала, верхнюю часть физического уровня составляет подуровень согласования (Reconciliation Sublayer, RS), который преобразует абстрактные сообщения МАС-уровня в конкретный физический код - последовательность полубайтов (nibble-wide chunks или дословно кусочки). На выходе подуровня согласования образуется независимый от среды интерфейс Mil (Media Independent Interface), который можно считать аналогом интерфейса AUI стандартов обычного Ethernet'a.
Далее расположены подуровни, зависящие от конкретной реализации физической среды. Подуровень физического кодирования (Physical Coding Sublayer, PCS) стандарта 100Base-TX преобразует полубайты интерфейса Mil в последовательности из 5 битов в соответствии с кодировкой 4В/5В, а подуровень PCS стандарта 100Base-T4 преобразует байт в 6 элементов, каждый из которых может принимать 3 значения.
Далее закодированные сигналы передаются в блок управления передачей по среде, который собственно и осуществляет передачу сигналов по кабелю с помощью зависящего от среды интерфейса MDI (Media Dependent Interface), который для неэкранированной витой пары представляет собой разъем RJ-45 с соответствующим назначением контактов. Станция стандарта 100Base-T4 всегда использует одну пару из четырех для приема сигналов, являющуюся входом приемника - Rx.
Эта пара необходима для распознавания станцией коллизии. Вторая пара всегда используется для передачи данных и связана с выходом передатчика - Тх. Эти пары соответствуют и по назначению и по разводке контактов назначению пар стандарта 10Base-T и 100Base-TX.
Остальные две пары могут использоваться как для приема, так и для передачи. В результате станции стандарта 100Base-T4 всегда обмениваются данными параллельно по трем парам проводов. При передаче кода 8В6Т используется тактовая частота 25 МГц, что совместно с ускорением. достигаемым за счет кодирования 8В6Т, дает на трех параллельных линиях пропускную способность 100 Мб/с.
Базовая топология сегмента стандарта Fast Ethernet приведена на рисунке 3.7.
Для стандартов 100Base-T4 и 100Base-TX имеются следующие ограничения на конфигурацию сети: максимальная длина сети - 210 м. причем допускается использование не более двух концентраторов-повторителей, расстояние между которыми не должно превышать 10 м, Максимальное расстояние между концентратором и станциями - 100 м.
Существует также вариант стандарта 100Base-FX, использующий два оптоволокна доя соединения станции с концентратором. Максимальное расстояние от конечной станции до концентратора при этом увеличивается до 185 м.
Рис. 3.6. Структура физического уровня стандарта Fast Ethernet
Стандарт 100VG-Any LAN.
В качестве альтернативы 100Base-T фирмы AT&T и HP выдвинули проект 100Base-VG. изменяющий уровень MAC, но сохраняющий размер пакета Ethernet, В сентябре 1993 года фирмы IBM и HP образовали комитет IEEE 802.12 и предложили использовать эту технологию для повышения скорости в сети Token Ring. Эта технология была названа 100VG-AnyLAN. В ней определены новый метод доступа Demand Priority и новая схема квартетного кодирования Quartet Coding – самосинхронизирующийся код 5В6В.
100VG-AnyLAN поддерживает передачу данных по четырем неэкранированным витым парам категорий 3, 4, 5. Данные передаются одновременно по четырем парам со скоростью 25 Мб/с, что в сумме дает 100 Мб/с.
Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального коммутирующего
концентратора, называемого также корневым, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов. Допускается три уровня каскадирования. Каждый концентратор 100VG-AnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо Token Ring, причем все концентраторы в сети должны быть настроены на один и тот же тип кадра. Специальное программное обеспечение концентратора 100VG-AnyLAN позволяет установить мост с низкоскоростной сетью Ethernet или Token Ring в зависимости от типа высокоскоростной сети. Фирмы IBM и HP объявили, что идет
Рис. 3.7. Структура сети 100Base-T
разработка метода, позволяющего обрабатывать в одном устройстве кадры обоих типов одновременно.
Рисунок 3.8 иллюстрирует работу протокола Demand Priority.
Рис. 3.8. Протокол Demand Priority стандарта 100VG-AnyLAN.
Согласно этому методу концентратор циклически выполняет опрос портов. Станция, желающая передать пакет, посылает низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая низкий приоритет для обычных данных и высокий приоритет для данных, чувствительных к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие. Если сеть свободна, концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня.
Важная особенность метода Demand Priority - сохранение форматов кадров Ethernet и Token Ring. Сторонники 100VG-AnyLAN утверждают, что этот подход облегчит межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы, а также обеспечит совместимость с существующими средствами сетевого управления, в частности, с анализаторами протоколов.
Основное применение технология 100VG-AnyLAN скорее всего найдет в сетях Token Ring, пользователям которых она позволит в 6-25 раз увеличить производительность сети, а также в сетях, активно использующих приложения мультимедиа.
Из-за изменения метода доступа эффективная пропускная способность сети 100VG-AnyLAN примерно в 1.5 раза выше пропускной способности сети Fast Ethernet.
Базовая топология сегмента сети 100VG-AnyLAN показана на рисунке 3.9.
Рис. 3.9. Корпоративная сеть на продуктах 100 VG-AnyLAN